KR20110128690A - 직류 전기철도 고저항 지락 검출 방법 - Google Patents

직류 전기철도 고저항 지락 검출 방법 Download PDF

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Abstract

직류 전기철도 고저항 지락 검출 방법에 개시된다. 이 방법은 인접하는 2개의 변전소의 급전전류를 합성하여 얻어지는 합성귀선전류를 일정시간(T R ) 동안 관측하여, 일정 전류구분(
Figure pat00039
)마다 얼마의 시간 동안 발생하였는지를 나타내는 발생빈도(
Figure pat00040
)를 구하는 단계와, 발생빈도(
Figure pat00041
) 또는 발생빈도로부터 구해지는 전류평가치(S)가 각각에 대하여 정해진 기준을 초과할 때 지락이 발생하였다고 판단하는 단계를 포함한다. 따라서 비교적 저렴한 비용으로 신뢰성 높은 지락 검출이 구현될 수 있다.

Description

직류 전기철도 고저항 지락 검출 방법{METHOD FOR DETECTING HIGH RESISTANCE GROUNDING FAULT}
본 발명은 직류 전기철도 고저항 지락 검출 방법에 관한 것으로서, 특히 인접하는 변전소의 급전전류를 합성하는 것으로 얻어진 전류를 이용한 지락에 의한 고장을 검출하는 직류 전기철도 고저항 지락 검출 방법에 관한 것이다.
급전선 또는 전차선이 지지물에 접촉하는 경우와 같은 단선사고의 경우, 급전선 저항에 지지물의 접지저항이 더해지면 고장검출이 어렵게 된다. 현재 단선/지락고장 시에 검출되는 고장점 저항의 상한치는 0.5Ω 정도이지만, 지지물로 사용되고 있는 콘크리트 전주는, 기상조건 및 빔 구조에 따라 다르지만, 수십 내지 수천Ω 정도의 접지저항이 있다. 이와 같은 고장이 발생하면 장시간 고장이 계속되어 여러 가지 문제를 일으키게 된다. 예를 들어, 레일의 체결장치 및 신호/통신 케이블 등 약전설비의 절연파괴, 지지물/고가교 등 구조물의 용손, 그리고 케이블 소손으로 인한 화재발생 등을 야기할 수 있다.
그러나, 직류전기철도 급전회로에서 전차선 지지물 등의 구조물 접지저항이 포함된 고저항에서의 지락이 발생하는 경우, 고장전류가 작기 때문에 종래의 고장검출장치에서는 검출이 곤란하였다.
고저항에서의 지락고장을 검출하는 장치의 하나로서, 방전 갭(gap)을 이용한 검출장치가 있다. 고저항 지락 고장에 의한 구조물의 전위 상승시에 방전 갭을 동작시켜 고장 전류 경로를 빠르게 레일 귀선으로 이행시킴으로써 변전소를 보호하는 방식이다. 고저항 지락 고장을 확실하게 검출할 수 있고, 방전 갭의 고속동작으로 대지 전위상승을 억제할 수 있어 절연파괴를 방지할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 이러한 방전 갭을 이용한 검출방식 및 장치는 보수 및 비용면에서 문제가 있어 역 구내와 장대교량 등에 한하여 도입되고 있다.
기존의 또 다른 지락을 검출하는 방식으로서, 급전전류를 이용하는 방식이 있다. 이는 각각의 변전소에서 관측되는 급전전류의 크기를 이용하는 것이다. 그러나 각각의 변전소에서 관측되는 급전전류는 전기차 또는 고장점이 근방에 존재하면 상대적으로 큰 값이 되고, 원방에 존재하면 작은 값이 되기 때문에 정확성이 떨어질 수밖에 없다. 이것은 고장전류와 전기차 전류 모두 영(zero) 전류에서 대전류까지 값을 취할 수 있기 때문이다. 따라서 전류의 크기만으로 고장검출을 하는 것은 한계가 있다.
더욱이, 전차선 지지물 등의 구조물 접지저항이 포함된 고저항에서 지락이 발생함으로써, 통상 고장전류가 구조물의 접지저항 및 레일 누설저항을 매개로 변전소로 귀환하는 회로가 구성된다. 이 경우에, 고장 전류치가 부하전류와 같은 정도이거나 그 이하로 되고, 그 결과 기존의 고장검출방식으로는 검출이 곤란하다. 상술한 바와 같이, 고저항 지락이 계속되면 구조물 등의 파손과 고장이 확대될 위험이 있어, 신뢰성과 코스트를 포함한 새로운 개념의 고저항 지락 검출 기술의 확립이 요구되고 있다.
본 발명은, 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 인접하는 변전소의 급전전류를 합성하여 얻어진 합성귀선전류를 이용하는 신뢰성 높은 직류 전기철도 고저항 지락 검출 방법을 제공한다.
본 발명은 또한 저렴한 비용으로 설치와 보수가 가능한 직류 전기철도 고저항 지락 검출 방법을 제공한다.
본 발명은 직류 전기철도 고저항 지락 검출 방법을 제공하며, 이 방법은: 인접하는 2개의 변전소의 급전전류를 합성하여 얻어지는 합성귀선전류를 일정시간(T R ) 동안 관측하여, 일정 전류구분(
Figure pat00001
)마다 얼마의 시간 동안 발생하였는지를 나타내는 발생빈도(
Figure pat00002
)를 구하는 단계; 및 상기 발생빈도(
Figure pat00003
) 또는 상기 발생빈도로부터 구해지는 전류 평가치(S)가 각각에 대하여 정해진 기준을 초과할 때 지락이 발생하였다고 판단하는 단계;를 포함한다.
상기 발생빈도에 대하여 정해진 기준은, 정상 조건에서 대응하는 발생빈도의 10배일 수 있다.
상기 전류 평가치(S)는, 상기 발생빈도의 역수에 상당하는 단위시간당 가중치를 구하고, 상기 가중치를 상기 단위시간마다 수차 관측된 합성귀선전류로 적산하여 구하는 것일 수 있다.
본 발명은 또한, 인접하는 2개의 변전소의 급전전류를 합성하여 얻어지는 합성귀선전류를 일정시간(T R ) 동안 관측하여, 일정 전류구분(
Figure pat00004
)마다 얼마의 시간 동안 발생하였는지를 나타내는 발생빈도(
Figure pat00005
)를 구하고 나서, 지락이 발생한 조건과 정상 조건에서의 발생빈도(
Figure pat00006
)의 차이를 이용하여 지락 발생 여부를 판단하는 직류 전기철도 고저항 지락 검출 방법을 제공한다.
본 발명은 인접하는 변전소의 급전전류치를 합성하는 것으로 얻어진 합성귀선전류의 발생빈도를 이용함으로써 보다 더 정확한 지락을 검출할 수 있다. 또한 고장 판정 기준 레벨을 해당 변전소들 사이의 값을 통해 구한 값을 적용하기 때문에, 해당 구간에 신뢰도 높은 실질적인 지락 검출 및 설비 보호가 도모될 수 있다. 본 발명의 방법을 적용한다면, 기존의 방전 갭을 이용한 고저항지락검출장치 보다 설치비용의 절감이 가능하고 보호에 대한 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 직류 전기철도 고저항 지락 검출 방법의 원리를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 직류 전기철도 고저항 지락 검출 방법의 검출 알고리즘을 설명하기 위해 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 직류 전기철도 고저항 지락 검출 방법에서 이용되는 발생빈도와 가중치의 관계를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 직류 전기철도 고저항 지락 검출 방법에서 이용되는 데이터 전송방식을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 직류 전기철도 고저항 지락 검출 방법의 흐름도이다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
바람직한 실시예를 설명하기 앞서 간략히 설명하면, 본 발명은 인접하는 2개의 변전소의 급전전류를 합성하여 얻어지는 합성귀선전류를 관측하여 일정한 전류구분마다 발생빈도를 구한다. 발생빈도는 어느 전류구분이 얼마큼의 시간 동안 발생하였는가를 나타내는 값으로서, 그를 통해 정상조건과 지락에 의한 고장 발생 상황을 신뢰성있게 판별할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 직류 전기철도 고저항 지락 검출 방법의 원리를 설명하기 위해 도시한 도면이다. 도 2는 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 직류 전기철도 고저항 지락 검출 방법의 검출 알고리즘을 설명하기 위해 도시한 그래프이다. 도 3은 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 직류 전기철도 고저항 지락 검출 방법에서 이용되는 발생빈도와 가중치의 관계를 도시한 그래프이다. 도 4는 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 직류 전기철도 고저항 지락 검출 방법에서 이용되는 데이터 전송방식을 설명하기 위해 도시한 도면이다. 도 5는 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 직류 전기철도 고저항 지락 검출 방법의 흐름도이다.
도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 직류 전기철도 고저항 지락 검출 방법은, 인접하여 연결되어 있는 2개소의 변전소(A, B)의 급전전류를 가산한 '합성귀선전류'를 검출하여 이용한다. 이는 종래의 급전전류를 이용하는 방식이 각각의 변전소에서 관측되는 급전전류의 크기를 가지고 지락 검출을 함으로써 부정확하게 되는 문제점을 해결한다.
하기에서 설명되는 단계들은 지락을 검출하는 단계에 대해서 설명하고 있으나, 정상조건에서 그 단계들이 수행되어 지락에 의한 고장이라고 판정하는 기준 레벨을 설정하는 데에도 이용될 수 있다. 물론, 각 구간마다의 고장판정을 위한 기준 레벨은 시간, 운행 조건 등의 가변 조건들에 의해 변할 수 있다.
도 1 내지 도 5를 참조하여 구체적으로 설명하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 직류 전기철도 고저항 지락 검출 방법은, 우선 인접하는 2개의 변전소의 급전전류를 합성하여 얻어지는 합성귀선전류를 일정한 측정시간(T R ) 동안 관측하여 일정 전류구분(
Figure pat00007
)마다 기준 발생빈도(
Figure pat00008
)를 산출한다(단계 101). 여기서 발생빈도(
Figure pat00009
)는 측정시간(T R ) 동안 전류구분(
Figure pat00010
)의 전류가 어느 정도의 시간동안 발생하였는가를 나타낸 것으로, T R 과 T(
Figure pat00011
)의 비를 백분율로 나타낸 것이다.
Figure pat00012
(1)
여기서, 식(1)은 아래 식(2)로 나타낼 수 있다.
Figure pat00013
(2)
상선 회선과 하선 회선 각각의 합성귀선전류의 발생빈도는 거의 동일한 값으로, 양 합성귀선전류의 발생빈도(
Figure pat00014
)에서 나타나는 전류는 모두 100A 내지 500A의 범위로 낮은값이다.
이와 같은 100A 내지 500A 범위의 합성귀선전류가 지속적으로 관측되는 것은 드문 일이며, 이것을 역으로 말하면 100A 내지 500A 범위의 합성귀선전류가 계속하여 발생한다면 고장으로 판정할 수도 있다.
본 발명은 이러한 합성귀선전류의 발생빈도(
Figure pat00015
)의 차이점을 이용하는 것으로써 이를 통해 부하전류와 고장전류를 판별한다. 합성귀선전류의 발생빈도(
Figure pat00016
)는 열차밀도, 선로구간의 구배조건, 역배치 등에 따라 다르게 나타난다.
따라서 상술한 바와 같이 발생빈도를 산출하여 정상조건에서 얻어진 기준레벨과 비교함으로써 지락 여부를 판별할 수 있다. 이는 후술되지만 대략 설정된 기준 발생빈도보다 10배 이상일 경우에는 지락 고장이라고 판정할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예는 또한 상술한 합성귀선전류의 발생빈도(
Figure pat00017
)를 이용하여 보다 정밀한 알고리즘으로 정확하게 지락 고장여부를 판정한다.
다시 도 1 내지 도 5로 돌아와서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 직류 전기철도 고저항 지락 검출 방법은 다음의 알고리즘을 이용한다.
구체적으로 합성귀선전류를 이용하여 지락 고장을 검출하기 위해서는 다음의 식(3)과 같이, 위에서 구한 기준 발생빈도(
Figure pat00018
)에서 이 역수에 상당하는 단위시간당 가중치(
Figure pat00019
)를 산정한다(단계 102). 가중치(
Figure pat00020
)는 아래 식(3)으로 나타낼 수 있다.
Figure pat00021
(3)
이어, 도 2에 도시한 바와 같이 단위시간마다 수차(數次) 관측된 합성귀선전류로 가중치(
Figure pat00022
)를 적산(積算)한다(단계 103). 이 가중치(
Figure pat00023
)의 적산치를 전류 평가치 S(무차원량)라 부른다.
이 전류평가치 S가 합성귀선전류가 영(zero) 전류로 되는 단계에서 영(zero)으로 리셋하고, 이 전류평가치 S가 설정된 고장판정레벨에 도달하면 지락에 의한 고장이라고 판정한다(단계 104).
지락에 의한 고장이라고 판정될 경우에, 각 변전소(A, B)에 고장을 통지한다.
본 발명의 방법의 고장 검출 알고리즘에 의하면, 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 지락 고장이 발생하고 난 후 고장검출에는 약간의 시간을 필요로 한다. 검출에 요구되는 시간은 가중치(
Figure pat00024
)와 고장판정레벨의 설정치에 따른다.
도 4에 도시한 바와 같이, 발생빈도(
Figure pat00025
)와 가중치(
Figure pat00026
)는 반비례 관계에 있다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 발생빈도(
Figure pat00027
)가 10% 이상일 경우 가중치(
Figure pat00028
)는 10 이하의 작은 값이 되어 가중치(
Figure pat00029
)를 적산한 전류평가치 S가 큰 폭의 증가를 나타내지 않는다.
그와 달리, 발생빈도(
Figure pat00030
)가 1% 이하이면 가중치(
Figure pat00031
)는 100 이상의 값이 되어 전류평균치 S의 증가량은 커지게 된다.
이로부터 고장판별이 가능한 조건은 고장발생 시와 정상조건에서 귀선 전류치의 발생빈도(
Figure pat00032
)의 차가 10배 이상일 경우에 고장판별이 가능하다는 것을 알 수 있다. 따라서, 상술한 바와 같이 시간 조건, 구간 조건에 따라 변경될 수 있겠지만 평균적으로는 10배 이상일 경우 매우 신뢰성 높은 지락을 판별할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 직류 전기철도 고저항 지락 검출 방법에 적용될 수 있는 데이터 전송은 도 5에 도시한 바와 같은 방식으로 구현될 수 있다. 한쪽의 변전소에 있는 데이터 전송장치를 마스터(master)로, 다른쪽 변전소의 데이터 전송장치를 슬레이브(slave)로 하여 데이터를 마스터측으로 집약함으로써 합성귀선전류를 구할 수 있다.
데이터의 전송에는 새로운 통신케이블 등을 추가로 설치해야하며 통신수단이 유선인 경우에는 전송데이터의 정보량, 전송속도는 충분한 성능이 보장되지만 상대적으로 비용이 높다. 통신수단이 무선일 경우에는 전송데이터의 정보량, 전송속도는 낮지만 저렴한 설비로 설치가 가능할 수 있다. 통신수단이 무선인 경우에는 마스터, 슬레이브 간의 데이터의 시간적 동기는 GPS를 이용할 수 있다.
이와 같이 통신수단은 적절하게 선택할 수 있다. 나아가 본 발명의 방법이 적용되는 장치 또는 시스템이 보호장치로서 채용될 경우에는 유선(광케이블 포함)을 사용하는 편이 정보량, 전송속도 등의 점에서 유리할 것이다.

Claims (4)

  1. 인접하는 2개의 변전소의 급전전류를 합성하여 얻어지는 합성귀선전류를 일정시간(T R ) 동안 관측하여, 일정 전류구분(
    Figure pat00033
    )마다 얼마의 시간동안 발생하였는지를 나타내는 발생빈도(
    Figure pat00034
    )를 구하는 단계; 및
    상기 발생빈도(
    Figure pat00035
    ) 또는 상기 발생빈도로부터 구해지는 전류평가치(S)가 각각에 대하여 정해진 기준을 초과할 때 지락이 발생하였다고 판단하는 단계;를 포함하는,
    직류 전기철도 고저항 지락 검출 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 발생빈도에 대하여 정해진 기준은, 정상 조건에서 대응하는 발생빈도의 10배인,
    직류 전기철도 고저항 지락 검출 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 전류평가치(S)는,
    상기 발생빈도의 역수에 상당하는 단위시간당 가중치를 구하고, 상기 가중치를 상기 단위시간마다 수차 관측된 합성귀선전류로 적산하여 구하는 것인,
    직류 전기철도 고저항 지락 검출 방법.
  4. 인접하는 2개의 변전소의 급전전류를 합성하여 얻어지는 합성귀선전류를 일정시간(T R ) 동안 관측하여, 일정 전류구분(
    Figure pat00036
    )마다 얼마의 시간 동안 발생하였는지를 나타내는 발생빈도(
    Figure pat00037
    )를 구하고 나서, 지락이 발생한 조건과 정상 조건에서의 발생빈도(
    Figure pat00038
    )의 차이를 이용하여 지락 발생 여부를 판단하는 것인,
    직류 전기철도 고저항 지락 검출 방법.
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